电子封装材料

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什么是电子封装材料[1]

  电子封装材料是指用于承载电子元器件及其相互联线,起机械支持,密封环境保护,散失电子元件的热量等作用,并具有良好电绝缘性的基体材料,是集成电路的密封体。

电子封装材料的分类[2]

  电子封装材料分类有多种,一般可以按照封装结构、形式、材料组成来进行分类。

  从封装结构分,电子封装材料主要包括基板、布线、层问介质和密封材料。基板一般分为刚性板和柔性板.柔性板电路具有轻、薄、可挠曲等特点,适用于便携式电子产品和无线通讯市场。基板金属化就是通过金属布线把芯片安装在基板上,布线要求具有较低的电阻率和良好的焊接性。层间介质分为有机(聚合物)和无机(SiO2Si3N4玻璃)2种,起着保护电路、隔离绝缘和防止信号失真等作用。环氧树脂系密封材料目前占整个电子密封材料的90%左右.环氧树脂成本低、产量大、工艺简单,近年来发展迅速。

  从封装形式分,可分为气密封装和实体封装。气密封装是指封装腔体内在管芯周围有一定气氛的空问并与外界相隔离;实体封装则指管芯周围与封装腔体形成整个实体。

  从材料组成分,可分为金属基、塑料基和陶瓷基封装材料。

新型电子封装材料的优势[1]

  1.金属封装材料

  金属封装材料具有较高的机械强度、散热性能优良等优点,并且对电磁有一定屏蔽功能,在功率器件中得到广泛应用.传统的金属封装材料主要有:Cu,Al,Kovar合金,Invar合金及W,Mo合金等.大多数金属封装都属于实体封装,但实体封装对封装材料要求较高,必须致密、抗潮,与管芯材料粘附和热匹配良好,而且在高温、低气压下不应产生有害气氛。

  理想的金属封装材料要求具有高的热导率(TC值)和低的热膨胀系数(CTE值)及密度(ρ值).Cu,Al或Al合金都具有良好的热传导率,质量较轻,成本低、强度高等优点,易于形成绝缘抗侵蚀薄膜,因而使用广泛. 金属基板是以其表面的阳极氧化膜作为其绝缘层,但是因为 与其氧化膜的热膨胀系数相差很大,当金属基板受热时,氧化膜容易开裂,影响封装的可靠性。此外,Cu,Al及合金的CTE值太大(Al的CTE为23.6×10 − 6/℃,Cu的CTE为17.8×10 − 6/℃,容易引发循环热应力。

  Cu/Mo合金和Cu/W合金具有较高的热导率及相匹配的CTE,但M0,W的价格较高,加工、焊接性能差而密度却又是Al的好几倍,不适合对重量有要求的应用领域,限制了其应用.而Kovar合金虽然具有很低的CTE,在数值上与芯片材料GaAs的CTE较接近,而且Kovar合金的加工性能也较好.如利用机械加工Kovar合金制作的热沉和壳为一体的外壳,膨胀系数小,制作方便,但散热性不好。正是因为其导热系数太低,密度也很低,使其难以广泛应用。

  2.塑料封装材料

  塑料封装具有价格低廉、质量较轻、绝缘性能好和抗冲击性强等优点.塑封装所使用的材料主要是热固型塑料,包括酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类.其中以环氧树脂应用最为广泛.但是,塑封装材料如环氧材料,气密性不好,大多对湿度敏感.在回流焊过程中,塑封料吸收的水受热易膨胀,会导致塑封器件爆裂。环氧树脂材料的热力学性能受水气的影响很大.在高温情况下,潮气会降低材料的玻璃化转变温度、弹性模量和强度.水气还会造成封装器件内部金属层的腐蚀破坏,改变塑封料的介电常数,严重影响封装的可靠性.此外,塑料封装晶体管多数含有铅,毒性较大,考虑到环保因素,RF晶体管通常采用成本比塑料高许多的陶瓷来充当电子封装材料。

  3.陶瓷封装材料

  目前,已用于实际生产和开发应用的陶瓷基片材料主要包括Al2O3,BeoO和AIN等。陶瓷封装的优点在于耐湿性好,良好的线膨胀率及热导率,同时具有优良的综合性能。

  大功率密度封装中芯片所产生的热量主要通过基片材料传导到外壳而散发出去的.不同的基片材料其导热性能各异.对高导热的基片BeO基片和AIN基片等,可以满足自然冷却要求.对于导热性较低的基片,如Al2O3基片,难以满足自然冷却的要求,必须附加电风扇、散热片或进行水冷等强制冷却办法,或在保证一定的机械强度条件下,尽量减少基片厚度,增加高导热填充材料以减少热通道上的热阻。Al2O3和BeO基片是广为使用的传统材料。但由于其综合性能、环保、成本等因素己难以满足功率微电子封装的要求,众所周知BeO晶须可以透过人体皮肤进入体内,毒害性很大,而综合性能优越的AIN基片将替代以上两种基片逐渐成为功率微电子封装的优良基片。

  4.金属基复合封装材料

  综上所述,单一基体的各种封装材料无法满足各方面性能的综合要求.只有金属基复合材料才能全面满足如上的要求.它尤其适于现代化高速发展的功率HIC,微波毫米波MMIC,MCM和大电流功率模块的功率封装及作为散热片应用.

  金属基复合材料被誉为21世纪的材料,是满足信息时代高速发展所提出的全面要求的新型材料.金属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础上还具有其它组元材料的特点,特别是它能充分发挥各组成材料的协同作用.从而还使材料设计有了很大的自由度.还可以根据材料的要求合理的选择组成材料的组元及其增强方式.

  电子封装常用的金属基复合材料主要是微观强化型金属基复合材料。按增强物类型可分为:连续纤维增强金属基复合材料、非连续增强金属基复合材料、自生增强金属基复合材料、层板金属基复合材料.按基体类型可分为:铝基、铜基、银基、铍基等.基中以Al/SiC最为突出.SiC颗粒作为增强材料具有性能优异,成本低廉的优点,其CTE为4.7×10 − 6/℃,与Si的CTE最为接近,热导率为80~170 W/m.K,弹性模量达450GPa,密度为3.2g/cm3;Al作为基板材料,具有高导热(170~220 W/m.K)、低密度(2.7 g/cm3)、价格低廉和易于加工等优点,又克服了各自的缺点,所以能表现出综合的优异性能。

电子封装材料的发展趋势[2]

  未来数十年内,微电子封装产业将更加迅猛发展,将成为一个高技术、高效益、具有重要地位的工业领域,发展前景十分广阔。在未来相当长时间内,电子封装材料仍以塑料基为主,发展方向为:

  (1)超大规模集成化、微型化、高性能化和低成本化;

  (2)满足BGA、CSP、MCM等先进新型封装形式的新型环氧模塑料;

  (3)无卤、锑元素,绿色环保,适用于无铅焊料工艺的高温260℃回流焊要求;

  (4)开发高纯度、低黏度、多官能团、低吸水率,低应力、耐热性好的环氧树脂.。新型环氧模塑料将走俏市场,有机硅类或聚酰亚胺类很有发展前景。

  在军事、航空航天和高端民用电子器件等领域,陶瓷基封装材料将向多层化方向发展,低温共烧陶瓷具有广阔的前景.多层陶瓷封装的发展重点是可靠性好,柔性大、成本低.高导热、高密封的A1N发展潜力巨大,应在添加物的选择与加人量、烧结温度、粉料粒度、氧含量控制等关键技术上重点突破.未来的金属基封装材料将朝着高性能、低成本、低密度和集成化的方向发展.轻质、高导热和CTE匹配的Si/Al、SiC/Al合金将有很好的前景。随着微电子封装技术朝多芯片组件(MCM)和表面贴装技术(SET)发展,传统封装材料已不能满足高密度封装要求,必须发展新型复合材料,电子封装材料将向多相复合化方向发展。

参考文献

  1. 1.0 1.1 郑小红,胡明,周国柱.新型电子封装材料的研究现状及展望[J].佳木斯大学学报( 自然科学版),2005(3)
  2. 2.0 2.1 汤涛,张旭,许仲梓.电子封装材料的研究现状及趋势[J].南京工业大学学报(自然科学版),2010(4)
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